Перспективы использования композиционных нагревательных элементов в различных системах жизнеобеспечения

Шелехов И.Ю.; Майзель Д.И.; Афанасьева А.С.; Тимофеева Е.Е.

6. Chupin R.V. Calculation of water disposal systems with close circuits and discharge headers. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water supply and sanitary equipment], 2014, no. 1, pp. 56-62. (In Russian)

7. Chupin R.V., Nguen Tuan An'. Optimal reconstruction of water disposal systems. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water supply and sanitary equipment], 2015, no. 2, pp. 58-66. (In Russian)

8. Chupin R.V., Gor'kov E.S. Increase of reliability and seismic capacity of gravity water disposal systems. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water supply and sanitary equipment], 2015, no. 6, pp. 62-69. (In Russian)

Информация об авторах

Чупин Роман Викторович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: +7 (3952) 405-145, e-mail: chupinvr@istu.edu; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Фам Нгок Минь, преподаватель кафедры строительства; Виньский университет, 460000, Вьетнам, провинция Нгеан, г. Винь, ул. Ле Зуан, 182.

Information about the authors

Chupin R.V., candidate of technical sciences, senior researcher, Department of Urban Construction and economy, tel.: +7 (3952) 405-145, e-mail: chupinvr@istu.edu; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Pham Ngoc Minh, teacher of Urban Construction; Vinh University, 182 Le Duan St., Vinh City, Nghe An Province, 460000, Vietnam.

УДК 681.2-027.31

DOI: 10.21285/2227-2917-2016-3-113-118

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ

ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

Рассматривается вопрос создания новых нагревательных и отопительных систем на основе нагревательных элементов с индивидуальными характеристиками. Представлено одно из новых направлений в этой области, основанное на использовании стеклокристал-лических материалов, предполагающем формирование резистивного слоя с помощью кристаллизации стекла вместе с функциональной фазой. Представлен анализ имеющихся работ в данном направлении и собственный опыт авторов. Показано, что технические характеристики нагревательных элементов можно изменять в зависимости от внешнего воздействия. Представлена модель расчета параметров нагревательных элементов и раскрыты новые перспективы применения данных нагревательных элементов в системах жизнеобеспечения.

Ключевые слова: функциональная фаза, термоактивная фаза, нагревательные элементы, температурный коэффициент сопротивления, диэлектрические прослойки.

PERSPECTIVES OF THE USE OF COMPOSITE HEATING ELEMENTS IN DIFFERENT SYSTEMS OF LIFE-SUPPORT

In this article we consider the question of creating new heating systems at the basis of heating elements with individual characteristics. We presented one of the new directions in this field based on the use of glass-ceramic material, where creation of a resistive layer is with the help of glass crystallization together with functional base. We presented analyses of the existing works in this field and personal experience of the authors. It is shown that technical characteristics of heating elements can be changed in accordance with outer impact. We presented the model of calculation of parameters of heating elements and new perspectives for the use of these heating elements in the life-support systems are revealed.

Keywords: functional phase, thermo-active phase, heating elements, temperature resistance index, dielectric interfaces

В различных областях народного хозяйства требуется равномерный и экономичный обогрев или нагрев, для этого используется обширный спектр электробытовых и специальных электронагревательных приборов и систем. Применение классических нагревательных элементов при небольших площадях теплопередачи оправдывает себя, но при ограничении по габаритам оборудования или при больших площадях нагрева происходит существенное увеличение стоимости оборудования и эффективности его работы [1]. Для повышения эффективности работы приходится использовать сложные системы управления и применять дополнительное количество датчиков температуры.

Классическим примером может служить система антиобледенения кровли, которая имеет большую протяженность и разные условия эксплуатации. В зависимости от ориентации дома одна сторона обычно находится под воздействием солнечной радиации, а вторая с затененной стороны. Чтобы обеспечить равномерный нагрев, с учетом воздействия солнечной радиации и ветровой нагрузки, требуется несколько независимых регулирующих устройств. В данном случае путем увеличения стоимости системы можно добиться относительно оптимальных характеристик. Но в других случаях, когда есть ограничение по габаритам и используется низкое напряжение, данную проблему с помощью внешних регулирующих устройств решить невозможно. Например, с системами подогрева одежды, не предполагающими, как правило, использование регулирующих устройств. В лучшем случае применяется ступенчатая регулировка мощности. Для решения данной проблемы в последнее время приобретают популярность нагревательные элементы с «саморегуляцией», которые меняют свое активное сопротивление в зависимости от внешних факторов, в конкретном случае от внешней температуры. Для получения этих свойств в основном используются индивидуальные характеристики различных материалов. Среди большого разнообразия материалов в настоящее время предпочтение отдается композиционным системам, т.к. сочетание в одном веществе органических и неорганических соединений, металлов и керамики, аморфных и кристаллических веществ, наличие фаз различной степени дисперсности позволяет получать изделия с самыми разнообразными свойствами.

Одним из направлений изменения характеристик резистивных композиций является создание стеклокристаллических материалов с помощью кристаллизации стекла вместе с функциональной фазой. Применение композиционных порошков для функциональной фазы [2], в том числе на основе сегнетоэлектриков, размером от 5 до 0,05 мкм, значительно расширило возможность управления электрофизическими свойствами [3].

В некоторых случаях стеклосвязующее заменили керамические материалы, что при типичном формировании зерен терморезистивного компонента менее 100 нм позволило увеличить диапазон линейного изменения номинала более чем в 10 раз. Общее сопротивление таких композиционных систем складывается из собственного сопротивления про-

водящего материала, сопротивления плотных контактов, то есть сопротивления растекания, и сопротивления контактов через тонкие диэлектрические прослойки, проводимость которых осуществляется по туннельному механизму или посредством прыжков носителей по локализованным состояниям [4]. Изменить свойства материала возможно внешним воздействием в процессе стеклования. Исследования в этой области представлены в работах В.А. Александрова [5], в которых показан результат воздействия лазерного излучения на резистивный слой на основе борида никеля. В результате было выявлено, что проводимость регулируется наноразмерными проводящими мостиками, образующимися в процессе восстановления фазы на границах микрочастиц, входящих в исходный материал.

Введение в диэлектрическую прослойку легирующих добавок в ряде случаев позволяет не только улучшить некоторые характеристики, но и получить новые свойства для материала [6, 7, 8].

Например, исследователи Национального института стандартов и технологии (National Institute of Standards and Technology - NIST) США, сформировав промежуточную прослойку из серебра размером 5 нм у магнитного сплава «никель - железо - медь - молибден», увеличили чувствительность к магнитным материалам в 400 раз. Исследования показали, что имеется еще одно новое направление для композиционных нагревателей: управление выделяемой мощностью внешним магнитным (электромагнитным) полем [9].

Для увеличения эффективности работы и снижения себестоимости термических систем создание нагревательных элементов с индивидуальными свойствами является перспективным и экономически оправданным. Свойства нагревательного элемента должны меняться в зависимости от условий эксплуатации прибора и воздействия внешних факторов на этот прибор. Экономические расчеты показывают, что применение нагревательных элементов с заданными характеристиками помогает снизить эксплуатационные затраты в системах обогрева более чем на 20 % [10].

Современная теория электропроводности позволяет управлять свойствами рези-стивного слоя, менять эти свойства в зависимости от внешних факторов. При создании нагревательных элементов [11] для систем, где требуется изменение параметров нагревательного элемента при изменении воздействия внешних факторов, мы использовали модель разделения влияния функциональной и термоактивной фазы на процесс электропроводности. Модель основывается на том, что функциональная фаза и термоактивная фаза считаются равноправными в процессе электропроводности [12]. В зависимости от условий эксплуатации создается модель, в которой рассчитывается вклад в процесс электропроводности функциональной фазы, которая характеризуется отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), и термоактивной фазы, которая характеризуется положительным ТКС. Согласно этой модели при расчете ТКС предполагается, что пленки в переходной области обладают островковой структурой. При этом считают, что размер островков достаточно большой (более 50 нм) и их собственное сопротивление сравнимо с сопротивлением промежутков между островками (менее 6 нм), поэтому вклад ТКС островков в общий ТКС пленки существенен. Далее полагают, что удельное сопротивление пленки в переходной области является суммой двух последовательно соединенных сопротивлений: островка и прослойки. Из этой модели следует, что в переходной области ТКС не равен нулю при любых температурах, кроме критической температуры Т = Тт„, причем ТКС отрицателен при Т < Tmin и положителен при Т > Тт„. С уменьшением размера островков и увеличением зазора между ними энергия активации Еп увеличивается, и Тт„ сдвигается в область более высоких температур, в конечном итоге ТКС становится отрицательным во всей области температур. Напротив, с увеличением размера островков и уменьшением прослоек между ними Еа уменьшается и Тт„ сдвигается в область низких температур. Когда островки начинают контактировать друг с другом, ТКС становится положительным во всей области температур.

Изменяя дискретность частиц функциональной фазы, меняя технологические режимы, формирующие диэлектрические прослойки, получают различные свойства у одних

и тех же материалов. Была разработана и запатентована технология производства нагревательных элементов, основанная на данной модели [13].

Работы в данном направлении открывают новые перспективы для создания конструкций нагревательных и отопительных систем. Например, в настоящее время сложно изготовить нагревательный элемент с большой площадью теплопередачи на низкое напряжение питания и, наоборот, с маленькой площадью теплопередачи на высокое напряжение. Внедрение новой технологии производства нагревательных элементов позволит сделать огромный скачок в области производства энергоэффективного нагревательного оборудования, когда при значительно меньших материальных затратах получаются термические системы для систем жизнеобеспечения, более надежные и экономичные.

Статья поступила 16.05.2016 г.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

I.Shelekhov I.Y., Dryanov O.A., Dukhovny L.I. Comparative Analysis of Radiator Heaters and Central Heating System // Scientific Israel - Technological Advantages, Scientific Herald of Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. 2012. Vol. 14, № 2. P. 39-43.

2.Вакив Н.М., Гадзаман И.В., Мруз О.Я., Немеш В.Г. Применение бессвенцового стекла в толстопленочных терморезистивных материалов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. № 2. С. 52-55.

3.Афанасьев В.П., Васильев В.Н., Игнатьев А.И., Колобкова Е.В., Никоноров Н.В., Сидоров А.И., Цехомский В.А. Новые люминесцентные стекла и стеклокерамики и перспективы их использования в солнечной энергетике // Оптический журнал. 2013. Т. 80, № 10. С. 69-79.

4.Каргин Н.И., Кузнецов А.Л., Сейдман Л.А., Чашкин Н.А., Шостаченко С.А. Формирование омических контактов в транзисторе с высокой подвижностью электронов с ме-таморфным гетеропереходом на основе арсенида галия // Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2014. № 1 (232). С. 75-84.

5. Александров В.А. Скин-эффект в проводящих пленках при лазерном воздействии // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2007. № 11 (55). С. 160-163.

6.Delimova L.A., Yuferev V.S., Grekhov I.V., Petrov A.A., Afanasjev V.P. Self-Consistent calculation of the photocurrent in polycrystalline polarized PB(ZRTI)O3 films // Materials Research Society Symposium Proceedings 2007 MRS Fall Meeting "Ferroelectrics, Mul-tiferroics, and Magnetoelectrics", Boston, MA, 2008. С. 208-213.

7. Workman W. Failure Modes of Integrated Circuits and Their Relationship to Reliability // Microelectronics and Reliability. 1968. Vol. 7, № 3. P. 257-264.

8.Halder N.C. Electron Tunneling and Hopping Possibilites in RuO2 Thick Films // Elec-trocomponent science and technology. 1983. Vol. 11, issue 1. P. 21-34.

9.Egelhoff W.F.Jr., Bonevich J. et al. 400-fold reduction in saturation field by interlayer-ing // Journal of Applied Physics. 2009. Vol. 105. P. 013921. DOI: 10.1063/1.3058673

10. Рупосов В.Л., Шелехов И.Ю. Подходы к экономической оценке новых нагревательных приборов: монография. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015. 174 с.

II. Пат. на полезную модель 109628, МПК H05B3/14. Нагревательный элемент / Ким Бьянг Чул, Головных И.М., Иванов Н.А., Шелехова И.В., Шелехов И.Ю.; патентообладатели Институт кооперации науки и промышленности Пусанского национального университета (Ю. Корея), ООО «Термостат». От 21.03.2011.

12. Шелехов И.Ю., Мартынова Т.Н. Разработка и исследование систем отопления и горячего водоснабжения на основе толстопленочного нагревательного элемента: монография. Иркутск: Изд-во Иркут. гос. с.х. акад., 2010. 148 с.

13. Пат. 2463748, МПК H05B3. Способ изготовления толстопленочного резистив-ного нагревателя / Головных И.М., Иванов Н.А., Ким Бьянг Чул, Шелехов И.Ю., Шелехо-ва И.В.; патентообладатель ООО «Термостат». От 10.08.2012 г.

REFERENCES

1. Shelekhov I.Y., Dryanov O.A., Dukhovny L.I. Comparative Analysis of Radiator Heaters and Central Heating System. Scientific Israel - Technological Advantages, Scientific Herald of Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering, 2012, vol. 14, no. 2, pp. 39-43.

2. Vakiv N.M., Gadzaman I.V., Mruz O.Ya., Nemesh V.G. Use of lead-free glass in thick-film thermo resistive materials. Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature [Technology and design in electric equipment], 2007, no. 2, pp. 52-55. (In Russian)

3. Afanas'ev V.P., Vasil'ev V.N., Ignat'ev A.I., Kolobkova E.V., Nikonorov N.V., Si-dorov A.I., Tsekhomskii V.A. New luminescent glasses and glass ceramics and perspectives of their use in solar energy. Opticheskii zhurnal [Optical magazine], 2013, vol. 80, no. 10, pp. 69-79. (In Russian)

4. Kargin N.I., Kuznetsov A.L., Seidman L.A., Chashkin N.A., Shostachenko S.A. Formation of ohmic contacts in the high electron mobility transistor with metamorphic heterojunc-tion based on gallium arsenide. Elektronnaya tekhnika. Seriya 2: Poluprovodnikovye pribory [Electronic technology. Part 2: four-layer diode], 2014, no. 1 (232), pp. 75-84. (In Russian)

5. Aleksandrov V.A. Skin effect in conductive films during laser influence. Mezhdu-narodnyi nauchnyi zhurnal "Al'ternativnaya energetika i ekologiya" [International scientific magazine "Alternative energetics and ecology"], 2007, no. 11 (55), pp. 160-163. (In Russian)

6. Delimova L.A., Yuferev V.S., Grekhov I.V., Petrov A.A., Afanasjev V.P. Self-Consistent calculation of the photocurrent in polycrystalline polarized PB(ZRTI)O3 films. Materials Research Society Symposium Proceedings 2007 MRS Fall Meeting "Ferroelectrics, Mul-tiferroics, andMagnetoelectrics", Boston, MA, 2008, pp. 208-213.

7. Workman W. Failure Modes of Integrated Circuits and Their Relationship to Reliability. Microelectronics and Reliability, 1968, vol. 7, no. 3, pp. 257-264.

8. Halder N.C. Electron Tunneling and Hopping Possibilites in RuO2 Thick Films. Elec-trocomponent science and technology, 1983, vol. 11, issue 1, pp. 21-34.

9. Egelhoff W.F.Jr., Bonevich J. et al. 400-fold reduction in saturation field by interlayer-ing. Journal of Applied Physics, 2009, vol. 105, p. 013921. DOI: 10.1063/1.3058673

10. Ruposov V.L., Shelekhov I.Yu. Podkhody k ekonomicheskoi otsenke novykh nagre-vatel'nykh priborov [Approaches to economical assessment of new heating devices]. Irkutsk, IRNITU Publ., 2015. 174 p.

11. Kim B'yang Chul, Golovnykh I.M., Ivanov N.A., Shelekhova I.V., Shelekhov I.Yu. Nagrevatel'nyi element [Heating device]. Patent na poleznuyu model', no. 109628, 2011.

12. Shelekhov I.Yu., Martynova T.N. Razrabotka i issledovanie sistem otopleniya i gor-yachego vodosnabzheniya na osnove tolstoplenochnogo nagrevatel'nogo elementa [Development and research of the systems of central heating and hot water supply at the basis of thick-film heating element]. Irkutsk, Irkut. gos. s.kh. akad. Publ., 2010. 148 p.

13. Golovnykh I.M., Ivanov N.A., Kim B'yang Chul, Shelekhov I.Yu., Shelekhova I.V. Sposob izgotovleniya tolstoplenochnogo rezistivnogo nagrevatelya [Method of producing a thick-film resistive heating element]. Patent, no. 2463748, 2012.

Информация об авторах

Шелехов Игорь Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: +7 (3952) 40-54-74, е-mail: promteplo@yandex.ru; Ир-

кутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83.

Майзель Денис Игоревич, магистрант группы ПГСм-14-1, е-mail: kaf_gsh@ex.istu.edu; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83.

Афанасьева Антонида Сергеевна, магистрантка группы ГСХм 14-1, е-mail: kaf_gsh@ex.istu.edu; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83.

Тимофеева Евгения Евгеньевна, магистрантка группы ГСХм 14-1, е-mail: kaf_gsh@ex.istu.edu; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83.

Information about the authors

Shelekhov I.Yu., candidate of technical sciences, associate professor, Department of Urban Construction and economy, tel.: +7 (3952) 40-54-74, e-mail: promteplo@yandex.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Maizel D.I., candidate for a master's degree, е-mail: kaf_gsh@ex.istu.edu; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Aphanasieva A.S., candidate for a master's degree, е-mail: kaf_gsh@ex.istu.edu; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Timopheeva E.E., candidate for a master's degree, е-mail: kaf_gsh@ex.istu.edu; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

УДК: 681.2-027.31

DOI: 10.21285/2227-2917-2016-3-118-124

ЭФФЕКТИВНАЯ КОНСТРУКЦИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ

ИНФРАКРАСНОГО ОБОГРЕВА

Представлен опыт авторов по повышению эффективности использования электрической энергии и экономии затрат, связанных с локализованным обогревом мест для проведения общестроительных работ. Показано, что изменение конструкции нагревательного элемента благоприятно влияет на теплотехнические характеристики отопительного прибора и позволяет снизить энергетические затраты на обогрев локализованных зон. В результате проведенной работы определено, что при использовании нового типа нагревательных элементов поле комфортных температур значительно увеличивается. Обнаружено, что это достигается благодаря изменению принципа инфракрасного излучения от нагревательного элемента. Проведенные авторами эксперименты показали, что за счет применения новых технологий возможно сократить энергетические затраты или при использовании аналогичных энергетических затрат увеличить площадь локализованного нагрева.

Ключевые слова: резистивный слой, нагревательные элементы, инфракрасные обогреватели, энергосбережение, температурный коэффициент сопротивления, энергетические затраты.

Perspectives of the use of composite heating elements in different systems of life-support

Текст научной работы на тему «Перспективы использования композиционных нагревательных элементов в различных системах жизнеобеспечения»